RU2806213C1

RU2806213C1 - Method for manufacturing surface ion trap

Info

Publication number: RU2806213C1
Application number: RU2023109627A
Authority: RU
Inventors: Максим Николаевич Журавлёв; Владимир Ильич Егоркин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Совместное предприятие "Квантовые технологии" (ООО "СП "Квант")
Filing date: 2023-04-14
Publication date: 2023-10-30

Abstract

FIELD: quantum computing.

SUBSTANCE: method for manufacturing multilayer surface ion traps and monolithic integrated photonic circuits based on them for quantum computing. Before the first dielectric layer is deposited on the substrate, a GaN buffer layer is grown by epitaxy, then an AlGaN barrier layer is grown on the GaN buffer layer by epitaxy, thereby forming a two-dimensional electron gas at the GaN/AlGaN hetero-interface. On the barrier layer, ohmic contacts to the region of two-dimensional electron gas are made, and in the first layer of the insulating dielectric, windows are opened to ohmic contacts to the region of two-dimensional electron gas. Before applying the second layer of insulating dielectric, metallization of the first level is covered with a thin layer of adhesive and anti-reflective coating.

EFFECT: expansion of the frequency range of control electromagnetic radiation transmitted through the electrically conductive layers of the ion trap to the UV part of the spectrum, providing the possibility of monolithic production on a single crystal of integrated photonic circuits for electromagnetic waves in the UV range and the ion trap.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к способам изготовления многослойных поверхностных ионных ловушек и основанных на них монолитных интегральных фотонных схем для квантовых вычислений.The invention relates to methods for manufacturing multilayer surface ion traps and monolithic integrated photonic circuits based on them for quantum computing.

В известном патенте США №US 7411187 приведен способ изготовления ионной ловушки на основе GaAs/AlGaAs гетероструктуры путем создания микрополости для улавливания ионов в слое AlGaAs, расположенного между слоями GaAs. В начале на GaAs пластине методом молекулярно-лучевой эпитаксии выращивается приборная структура, состоящая из следующей последовательности слоев: изолирующий AlGaAs, легированный кремнием проводящий GaAs, изолирующий AlGaAs и легированный проводящий GaAs. Для обеспечения доступа управляющего оптического излучения проводится травление обратной стороны подложки до слоя AlGaAs. Для обеспечения доступа к внутреннему проводящему слою GaAs проводится травление окон в вышележащих слоях приборной гетероструктуры в индуктивно-связанной плазме. Для создания электрического контакта к GaAs электродам ловушки формируются контактные площадки на основе металлизации золото/германий/никель. Травление в индуктивно-связанной плазме формирует и изолирует консольные электроды из GaAs, а травление плавиковой кислотой удаляет часть слоя AlGaAs между электродами и формирует микрополость для улавливания ионов.The well-known US patent No. US 7411187 describes a method for manufacturing an ion trap based on a GaAs/AlGaAs heterostructure by creating a microcavity for trapping ions in an AlGaAs layer located between the GaAs layers. First, a device structure consisting of the following sequence of layers is grown on a GaAs wafer using molecular beam epitaxy: insulating AlGaAs, silicon-doped conductive GaAs, insulating AlGaAs and doped conductive GaAs. To provide access to control optical radiation, the back side of the substrate is etched to the AlGaAs layer. To provide access to the internal conductive GaAs layer, windows are etched in the overlying layers of the device heterostructure in inductively coupled plasma. To create an electrical contact to the GaAs electrodes of the trap, contact pads are formed based on gold/germanium/nickel metallization. Inductively coupled plasma etching forms and insulates the GaAs cantilever electrodes, while hydrofluoric acid etching removes part of the AlGaAs layer between the electrodes and forms a microcavity to trap ions.

Основной недостаток предлагаемого способа изготовления ионной ловушки заключается в получении плоских управляющих электродов. Известно, что напряженность электрического поля уменьшается вблизи плоских поверхностей. Это приводит к существенному отклонению удерживающего электрического поля от квадрупольного. Частота колебаний ионов становится зависящей не только от массы ионов, но и от амплитуды их колебаний в ловушке. Попадая в резонанс с возбуждающим полем, ионы увеличивают амплитуду колебаний и могут столкнуться со стенками удерживающей микрополости или вылететь из ловушки.The main disadvantage of the proposed method for manufacturing an ion trap is the production of flat control electrodes. It is known that the electric field strength decreases near flat surfaces. This leads to a significant deviation of the confining electric field from the quadrupole one. The frequency of ion vibrations becomes dependent not only on the mass of the ions, but also on the amplitude of their vibrations in the trap. Finding resonance with the exciting field, the ions increase the amplitude of oscillations and can collide with the walls of the holding microcavity or fly out of the trap.

В известном патенте США №US 7180078 описывается способ изготовления планарной ионной ловушки по кремниевой технологии. Во-первых, химическое осаждение из паровой фазы при температуре 400-500°С формирует слой диоксида кремния толщиной около 300 нанометров (нм) на верхней поверхности сильно легированной кремниевой пластины. Затем с помощью осаждения из паровой фазы, легирования, отжига и полировки формируют слой низкоомного поликремния (удельное сопротивление от 0,5 до 5 мОм⋅см). Затем с помощью сухого травления слой поликремния разделяется на отдельные электроды постоянного тока. Далее на поликремний осаждается толстый слой SiO2, на котором в последствии изготавливаются ВЧ электроды. На задней стороне пластины проводятся следующие технологические операции. Во-первых, механическое шлифование уменьшает толщину пластины до 280 мкм. Затем с помощью контактной литографии и глубокого реактивного ионного травления получают сквозные отверстия, которые заполняются поликремнием и тем самых получаются контакты к электродам постоянного тока.The well-known US patent No. US 7180078 describes a method for manufacturing a planar ion trap using silicon technology. First, chemical vapor deposition at a temperature of 400-500°C forms a layer of silicon dioxide about 300 nanometers (nm) thick on the top surface of a heavily doped silicon wafer. Then, using vapor deposition, doping, annealing and polishing, a layer of low-resistivity polysilicon (resistivity from 0.5 to 5 mOhm⋅cm) is formed. The polysilicon layer is then separated into individual DC electrodes using dry etching. Next, a thick layer of SiO2 is deposited on the polysilicon, on which RF electrodes are subsequently manufactured. The following technological operations are carried out on the back side of the plate. First, mechanical grinding reduces the plate thickness to 280 microns. Then, using contact lithography and deep reactive ion etching, through holes are obtained, which are filled with polysilicon and thus contacts to the DC electrodes are obtained.

Недостатком указанного способа изготовления ионной ловушки является необходимость утонения и травления обратной стороны пластины для получения контактов к электродам постоянного тока. Также следует отметить, что для масштабирования одиночной ионной ловушки и изготовления большого массива для удержания сотен ионов необходимо перейти к технологии изготовления многоуровневых ловушек, содержащих три-четыре проводящих слоя. Во-первых, это позволит изготовить заземленный экран для экранирования ловушки от фонового электромагнитного излучения. Во-вторых, можно разместить управляющие микроволновые электроды внутри центрального электрода постоянного тока. Это приближает их к иону, уменьшая потребляемую мощность и перекрестные помехи. Наконец, интеграция конденсаторов в заземляющий слой непосредственно под электродами позволит заземлить электроды постоянного тока в нескольких точках, закоротить наведенные токи на заземляющий слой и уменьшить их распространение на другие части микросхемы.The disadvantage of this method of manufacturing an ion trap is the need to thin and etch the back side of the plate to obtain contacts to the DC electrodes. It should also be noted that in order to scale up a single ion trap and produce a large array to trap hundreds of ions, it is necessary to move to the technology of producing multi-level traps containing three to four conducting layers. First, this will make it possible to produce a grounded shield to shield the trap from background electromagnetic radiation. Second, it is possible to place the control microwave electrodes inside the central DC electrode. This brings them closer to the ion, reducing power consumption and crosstalk. Finally, integrating capacitors into the ground plane directly below the electrodes will allow the DC electrodes to be grounded at multiple points, shorting induced currents to the ground plane and reducing their propagation to other parts of the chip.

В известном патенте США №US 10418443, являющийся прототипом, приведена конструкция многослойной поверхностной ионной ловушки, которая может быть изготовлена путем нанесения на подложку трех металлических слоев, разделенных двумя слоями изолирующего диэлектрика. Предлагается использовать кремниевые подложки с высоким удельным сопротивлением и SiO₂ в качестве изолирующего диэлектрика. Для лучшей электрической изоляции на подложку может осаждаться слой нитрида кремния с низкими механическими напряжениями. Для улучшения теплоотвода на подложке, под самым нижним металлическим слоем, может изготавливаться слой карбида кремния.The prior art US Patent No. US 10418443 discloses a multilayer surface ion trap design that can be made by depositing three metal layers on a substrate, separated by two layers of insulating dielectric. It is proposed to use silicon substrates with high resistivity and SiO ₂ as an insulating dielectric. For better electrical insulation, a layer of silicon nitride with low mechanical stress can be deposited on the substrate. To improve heat dissipation, a layer of silicon carbide can be made on the substrate, under the lowest metal layer.

Основные недостатки приведенного технологического маршрута -несовместимость с методами оптического управления состоянием иона и технологией изготовления интегральных фотонных схем. Во-первых, величина оптической мощности, передаваемая через кремний, ограничивается двухфотонным поглощением. Во-вторых, кремний пропускает только излучение ИК диапазона. Однако, для контроля легких ионов (Ве⁺, Mg⁺и др.) используется ультрафиолетовое (УФ) излучение.The main disadvantages of the given technological route are incompatibility with methods of optical control of the state of the ion and the technology of manufacturing integrated photonic circuits. First, the amount of optical power transmitted through silicon is limited by two-photon absorption. Secondly, silicon transmits only IR radiation. However, ultraviolet (UV) radiation is used to control light ions (Be ⁺ , Mg ^+, etc.).

Задача, на решение которой направленно техническое решение, заключается в удержании иона и обеспечении возможности управления его квантовым состоянием с помощью электромагнитных волн УФ диапазона.The problem that the technical solution is aimed at solving is to retain the ion and provide the ability to control its quantum state using electromagnetic waves in the UV range.

Техническим результатом является разработка способа изготовления поверхностной ионной ловушки, с помощью которого осуществляется расширение частотного диапазона управляющего электромагнитного излучения, передаваемого через электропроводящие слои ионной ловушки, до ультрафиолетовой части спектра, обеспечение возможности монолитного изготовления на едином кристалле интегральных фотонных схем для электромагнитных волн УФ диапазона и ионной ловушки.The technical result is the development of a method for manufacturing a surface ion trap, with the help of which the frequency range of control electromagnetic radiation transmitted through the electrically conductive layers of the ion trap is expanded to the ultraviolet part of the spectrum, providing the possibility of monolithic production on a single crystal of integrated photonic circuits for electromagnetic waves in the UV range and ion traps.

Технический результат достигается тем, что до осаждения первого слоя диэлектрика на подложке с помощью эпитаксии выращивается GaN буферный слой, затем на GaN буферном слое с помощью эпитаксии выращивается барьерный слой AlGaN, тем самым формируя двумерный электронный газ на GaN/AlGaN гетерогранице, на барьерном слое изготавливаются омические контакты к области двумерного электронного газа, а в первом слое изолирующего диэлектрика вскрываются окна к омическим контактам к области двумерного электронного газа, и перед нанесением второго слоя изолирующего диэлектрика металлизация первого уровня покрывается тонким слоем адгезионного и антибликового покрытия.The technical result is achieved by the fact that before deposition of the first dielectric layer on the substrate, a GaN buffer layer is grown using epitaxy, then an AlGaN barrier layer is grown on the GaN buffer layer using epitaxy, thereby forming a two-dimensional electron gas at the GaN/AlGaN heterointerface; ohmic contacts to the region of two-dimensional electron gas, and in the first layer of insulating dielectric, windows are opened to ohmic contacts to the region of two-dimensional electron gas, and before applying the second layer of insulating dielectric, the metallization of the first level is covered with a thin layer of adhesive and anti-reflective coating.

Основные этапы изготовления ионной ловушки показаны на фиг. 1-5, гдеThe main stages of manufacturing an ion trap are shown in Fig. 1-5, where

1 - подложка, 2 - буферный слой GaN, 3 - барьерный слой AlGaN, 4 - область двумерного электронного газа на гетерогранице GaN/AlGaN, 5 - изолирующий диэлектрик, 6 - окна в диэлектрике к омическим контактам, 7 - омические контакты к области двумерного электронного газа, 8 - электрод постоянного напряжения, 9 - электрод заземления, 10 - переходные отверстия, 11 - электрод ВЧ-напряжения.1 - substrate, 2 - GaN buffer layer, 3 - AlGaN barrier layer, 4 - region of two-dimensional electron gas at the GaN/AlGaN heterointerface, 5 - insulating dielectric, 6 - windows in the dielectric to ohmic contacts, 7 - ohmic contacts to the region of two-dimensional electron gas, 8 - constant voltage electrode, 9 - grounding electrode, 10 - vias, 11 - HF voltage electrode.

На фиг. 1 показано эпитаксиальное выращивание на подложке буферного слоя GaN и барьерного слоя AlGaN.In fig. Figure 1 shows the epitaxial growth of a GaN buffer layer and an AlGaN barrier layer on a substrate.

На фиг. 2 показано формирование омических контактов к области двумерного электронного газа, осаждение первого слоя изолирующего диэлектрика и вскрытие в диэлектрике окон к омическим контактам.In fig. Figure 2 shows the formation of ohmic contacts to the region of two-dimensional electron gas, the deposition of the first layer of insulating dielectric, and the opening of windows to the ohmic contacts in the dielectric.

На фиг. 3 показано изготовление металлизации первого уровня, включающей шины постоянного тока и заземленный металлический экран.In fig. Figure 3 shows the manufacture of first-level metallization, including DC buses and a grounded metal screen.

На фиг. 4 показано осаждение второго слоя изолирующего диэлектрика и изготовление переходных отверстий.In fig. Figure 4 shows the deposition of the second layer of insulating dielectric and the production of vias.

На фиг. 5 показано изготовление металлизации второго уровня, включающей контакты ВЧ-электродов, электродов постоянного тока и заземляющие электродыIn fig. Figure 5 shows the manufacture of second-level metallization, including contacts of RF electrodes, DC electrodes and grounding electrodes

Для демонстрации достижимости технического результата по предлагаемому способу были изготовлены многослойные поверхностные ионные ловушки. Использовалась сапфировая подложка диаметром 76 мм. На одной пластине вместе с ионными ловушками были изготовлены специальные тестовые блоки для контроля параметров технологических операций.To demonstrate the achievability of the technical result using the proposed method, multilayer surface ion traps were manufactured. A sapphire substrate with a diameter of 76 mm was used. On one plate, together with ion traps, special test blocks were manufactured to monitor the parameters of technological operations.

Буферный слой GaN и барьерный слой AlGaN выращивались методом газофазной эпитаксии (MOCVD). GaN и тройные растворы на его основе (AlGaN) прозрачны для УФ излучения. Высокое критическое поле (3,3 МВ/см) позволяет использовать слои нелегированных нитридных полупроводников в качестве изолирующих. Кроме того, сильный пьезоэлектрический эффект вызывает образование двумерного электронного газа на гетерогранице GaN/AlGaN.The GaN buffer layer and the AlGaN barrier layer were grown by chemical vapor deposition (MOCVD). GaN and ternary solutions based on it (AlGaN) are transparent to UV radiation. The high critical field (3.3 MV/cm) allows the use of layers of undoped nitride semiconductors as insulating ones. In addition, a strong piezoelectric effect causes the formation of two-dimensional electron gas at the GaN/AlGaN heterointerface.

Концентрация и подвижность в слое двумерного электронного газа определялись по результатам холловских и вольт-фарадных измерений. Холловские измерения проводились на квадратной тестовой структуре Ван-дер-Пау, рекомендованной консорциумом KORRIGAN и агентством DARPA. Модуль для C-V измерений имеет круглую геометрию. Измерения показали слоевую концентрацию носителей более 10¹³ см^-2и подвижность более 1500 см²/В⋅с. Т.е. слой двумерного электронного газа может использоваться как заземляющая плоскость экранирования ионной ловушки от микроволнового излучения и блуждающих зарядов со стороны подложки.The concentration and mobility in a layer of two-dimensional electron gas were determined from the results of Hall and capacitance-voltage measurements. Hall measurements were carried out on the Van der Pauw square test structure recommended by the KORRIGAN consortium and DARPA. The module for CV measurements has a circular geometry. Measurements showed a layer carrier concentration of more than 10 ¹³ cm ^-2 and a mobility of more than 1500 cm ² /V⋅s. Those. a layer of two-dimensional electron gas can be used as a grounding plane to shield the ion trap from microwave radiation and stray charges on the substrate side.

Дополнительно следует отметить, что желательными компонентами монолитной фотонной интегральной схемы для квантовых вычислений являются активные встроенные модуляторы амплитуды, частоты и фазы. Материалы для модуляторов должны быть оптически прозрачными и изменять показатель преломления под действием электрического сигнала, т.е. обладать большими электрооптическими или пьезоэлектрическими коэффициентами, чтобы устройства можно было делать быстрыми и маленькими и приводить в действие низкими напряжением и электрической мощностью. Этому требованию удовлетворяют широкозонные нитридные полупроводники GaN и AlN.Additionally, it should be noted that active on-chip amplitude, frequency, and phase modulators are desirable components of a monolithic photonic integrated circuit for quantum computing. Materials for modulators must be optically transparent and change the refractive index under the influence of an electrical signal, i.e. have large electro-optical or piezoelectric coefficients so that devices can be made fast and small and driven by low voltage and electrical power. This requirement is satisfied by wide-gap nitride semiconductors GaN and AlN.

Для формирования омических контактов применялась многослойная металлизация Si/Ti/Al/Ni/Au. Осаждение металлов проводилось методом электронно-лучевого испарения в высоком вакууме. Вжигание омических контактов проводилось с помощью быстрого термического отжига.To form ohmic contacts, multilayer Si/Ti/Al/Ni/Au metallization was used. Metal deposition was carried out by electron beam evaporation in high vacuum. The ohmic contacts were burned in using fast thermal annealing.

Металлизация электродов постоянного тока и ВЧ-электродов выполняется из AlSiCu (структурируется посредством плазменного травления) с покрытием толщиной 25±5 нм из нитрида титана (TiN). AlSiCu содержит 98,5±1,0% алюминия, 1,0±0,5% кремния и 0,5±0,2% меди. Нитрид титана TiN выполняет две задачи: способствует адгезии между осажденным оксидом (SiO2) и металлом (AlSiCu), и действует как антибликовое покрытие, необходимое для литографии на осажденном оксидном слое.The metallization of DC and HF electrodes is made of AlSiCu (structured by plasma etching) with a 25±5 nm thick titanium nitride (TiN) coating. AlSiCu contains 98.5±1.0% aluminum, 1.0±0.5% silicon and 0.5±0.2% copper. Titanium nitride TiN serves two purposes: it promotes adhesion between the deposited oxide (SiO2) and the metal (AlSiCu), and acts as an anti-reflective coating necessary for lithography on the deposited oxide layer.

После напыления металлизации производится измерение шероховатости поверхности и толщины слоя металла методами атомно-силовой микроскопии. Измерения показали, что толщина металлизации выдерживается с высокой точностью. Удельное поверхностное сопротивление металлизации измерялось четырех-зондовым методом на тестовых структурах.After deposition of metallization, the surface roughness and thickness of the metal layer are measured using atomic force microscopy. Measurements have shown that the metallization thickness is maintained with high accuracy. The specific surface resistance of metallization was measured using the four-probe method on test structures.

Основное требование к межслоевому диэлектрику - способность выдерживать напряжения до 300 В без пробоя. Изготовление пленок оксида кремния производилось с помощью химического осаждения из паровой фазы (PECVD) при температуре 250°С. В качестве исходных реагентов были выбраны силан и закись азота.The main requirement for an interlayer dielectric is the ability to withstand voltages up to 300 V without breakdown. The production of silicon oxide films was carried out using chemical vapor deposition (PECVD) at a temperature of 250°C. Silane and nitrous oxide were chosen as the starting reagents.

Таким образом такое техническое решение обеспечивает удержание иона и возможность управления его квантовым состоянием с помощью электромагнитных волн УФ диапазона.Thus, this technical solution provides confinement of the ion and the ability to control its quantum state using electromagnetic waves in the UV range.

Такое техническое решение расширяет частотный диапазон управляющего электромагнитного излучения, передаваемого через электропроводящие слои ионной ловушки, до ультрафиолетовой части спектра, обеспечивает возможность монолитного изготовления на едином кристалле интегральных фотонных схем для электромагнитных волн УФ диапазона и ионной ловушки.This technical solution expands the frequency range of control electromagnetic radiation transmitted through the electrically conductive layers of the ion trap to the ultraviolet part of the spectrum, providing the possibility of monolithic production of integrated photonic circuits on a single crystal for electromagnetic waves in the UV range and the ion trap.

Claims

A method for manufacturing a surface ion trap, which consists in sequential deposition of the first layer of insulating dielectric, production of metallization of the first level, deposition of a second thick layer of insulating dielectric, in which vias are made for metallization of the first level, formation of contacts of RF electrodes, DC electrodes and grounding electrodes, characterized in that before the first dielectric layer is deposited on the substrate, a GaN buffer layer is grown using epitaxy, then an AlGaN barrier layer is grown on the GaN buffer layer using epitaxy, thereby forming a two-dimensional electron gas at the GaN/AlGaN heterointerface, ohmic contacts are made on the barrier layer to the region of two-dimensional electron gas, and in the first layer of insulating dielectric, windows are opened to ohmic contacts to the region of two-dimensional electron gas, and before applying the second layer of insulating dielectric, the metallization of the first level is covered with a thin layer of adhesive and anti-reflective coating.